給礦：原礦通過爐頂貯礦槽，經(jīng)由下料口落入爐膛內(nèi)。
預熱：當?shù)V石進入預熱帶，在廢氣的預熱下，礦石的平均溫度一般為150-200℃。
加熱：礦石通過自重下落進入加熱帶，加熱煤氣與加熱空氣在燃燒室混合燃燒時放出的熱量通過對流、輻射以及傳導的方式使礦石溫度達到700-850℃。礦石溫度高低不僅取決于搬出的快慢，還取決于燃燒室內(nèi)煤氣和空氣的配比，配比適當，煤氣燃燒充分。燃燒室溫度一般控制在1050-1150℃，其熱量由導火孔傳導給礦石。
還原：加熱礦石進入還原帶，在570℃左右時與供給的還原煤氣發(fā)生還原反應。
冷卻：焙燒礦進入水封池冷卻到400℃以下，必須保持水溫在40-45℃，否則，焙燒礦不能有效冷卻，礦石反而被氧化，達不到還原的目的。
搬出：搬出制度決定礦石在豎爐內(nèi)焙燒的時間，為了保證焙燒質(zhì)量，必須有一個合理的搬出制度，一般以一個周期的時間來表示。
豎爐操作者主要依據(jù)經(jīng)驗知識進行判斷，在此基礎上進行各種手工操作，自動化程度非常低。加上豎爐焙燒過程中包括多種內(nèi)外因素的交叉變化，不確定性普遍，設備眾多，使得焙燒過程控制變得復雜起來，表現(xiàn)在如下幾個方面：
1) 過程本身具有多變量強耦合的特點，輸入輸出眾多。輸入有空氣量，加熱煤氣量，還原煤氣量等，輸出量有燃燒室溫度，加熱帶溫度，還原帶溫度等，任何一個輸入的變化都可能引起所有的輸出發(fā)生波動；2）機理復雜，有物料的進出、熱量的傳遞，還有化學反應，難以對燃燒室的溫度對象建立準確的數(shù)學模型，使得基于模型的精確控制理論難以發(fā)揮其長處；3）不確定性因素多，如礦石的性質(zhì)改變，加熱煤氣成分的波動以及操作工水平參差不齊等，這些不確定因素均會影響關鍵工藝參數(shù)的穩(wěn)定性；4) 焙燒過程中往往伴隨著一些故障的發(fā)生，一旦操作不當，將會引發(fā)生產(chǎn)故障，影響生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。
以上說明了手工操作的局限性，同時說明了單一的常規(guī)控制理論與技術難以實現(xiàn)豎爐焙燒復雜的控制，難以達到生產(chǎn)過程的最終需求，如用戶對產(chǎn)品質(zhì)量的期望等，究其原因是因為基礎回路控制級難以找到合適的設定值。如燃燒室溫度、還原煤氣流量、搬出制度等，往往是由操作員借助于其積累的經(jīng)驗給出，帶有主觀性和隨意性，使產(chǎn)品質(zhì)量及其它工藝指標得不到有效可靠的保證。如果不對設備進行自動化系統(tǒng)的改造，所帶來的問題是：控制精度不高，浪費能源，最終的產(chǎn)品質(zhì)量得不到有效的保障。近年來，隨著工廠自動化程度的不斷提高以及先進控制技術的發(fā)展，各企業(yè)越來越重視工藝過程的自動控制實現(xiàn)，這樣不僅能提高控制精度，而且節(jié)約了能源，使產(chǎn)品質(zhì)量得到了大幅提高。
3 豎爐焙燒過程綜合自動化系統(tǒng)
結(jié)合選礦廠豎爐焙燒過程的特點，采用智能優(yōu)化、過程控制和過程管理三層結(jié)構的綜合自動化系統(tǒng)體系架構，提出了如圖2所示豎爐焙燒過程綜合自動化系統(tǒng)。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構
該系統(tǒng)有豎爐智能優(yōu)化系統(tǒng)、豎爐過程控制系統(tǒng)、豎爐過程管理系統(tǒng)和計算機支撐系統(tǒng)組成。其中，智能優(yōu)化系統(tǒng)采用以綜合生產(chǎn)指標為目標的智能優(yōu)化設定技術，具有燃燒室溫度智能優(yōu)化設定模塊、還原煤氣智能優(yōu)化設定模塊和搬出制度智能優(yōu)化設定模塊。
過程控制系統(tǒng)采用EIC(Electric Instrument Computer)一體化計算機集散控制系統(tǒng)集成設計技術。其中基礎自動化系統(tǒng)具有回路控制模塊、邏輯控制模塊和關鍵工藝參數(shù)的監(jiān)控模塊。
過程管理系統(tǒng)采用綜合生產(chǎn)指標為目標的生產(chǎn)過程優(yōu)化運行與優(yōu)化管理技術，具有生產(chǎn)管理和系統(tǒng)管理兩部分。
計算機支撐系統(tǒng)有監(jiān)控軟件、實時數(shù)據(jù)庫和計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)組成，通過計算機支撐系統(tǒng)實現(xiàn)過程控制系統(tǒng)和過程管理系統(tǒng)的信息集成，從而實現(xiàn)豎爐焙燒過程的綜合自動化。
3.2 系統(tǒng)功能
豎爐焙燒生產(chǎn)過程綜合自動化系統(tǒng)包括：智能優(yōu)化系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)和過程管理系統(tǒng)(系統(tǒng)功能圖參見圖3)。豎爐智能優(yōu)化系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)指標要求，根據(jù)選礦廠制定的指標：磁選管回收率，由回路智能優(yōu)化設定模型對豎爐焙燒過程的燃燒室溫度、還原煤氣流量和搬出制度等控制回路的給定值進行優(yōu)化設定，實現(xiàn)焙燒過程的磁選管回收率優(yōu)化控制，從而保證選礦過程綜合生產(chǎn)指標的優(yōu)化。
豎爐過程控制系統(tǒng)實現(xiàn)豎爐焙燒過程生產(chǎn)設備的啟動、停止等邏輯控制，如抽煙機、鼓風機、搬出機和排礦機等，具有設備安全保護功能，實現(xiàn)了生產(chǎn)工藝參數(shù)，如豎爐溫度（燃燒室、加熱帶、還原帶等）、壓力（加熱煤氣壓力、還原煤氣壓力、爐膛負壓等）、流量（煤氣、空氣等）的閉環(huán)控制。該系統(tǒng)通過上位機監(jiān)控系統(tǒng)對設備運行狀態(tài)、關鍵工藝參數(shù)和趨勢曲線進行實時監(jiān)控，從而保證生產(chǎn)過程的穩(wěn)定運行。

豎爐過程管理包括生產(chǎn)管理和系統(tǒng)管理，對豎爐焙燒生產(chǎn)過程和綜合自動化系統(tǒng)進行管理。生產(chǎn)管理具有系統(tǒng)監(jiān)測、故障診斷、設備管理、生產(chǎn)安全管理和系統(tǒng)通訊等功能。系統(tǒng)監(jiān)測功能對數(shù)據(jù)進行采集、處理以及生產(chǎn)過程的監(jiān)控；故障診斷功能對故障進行實時預測、及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)故障。設備管理功能對設備故障進行報警，對設備的維護進行管理，對設備維修計劃進行預測，幫助制定維修計劃，保證設備的安全運行。生產(chǎn)安全管理功能包括設備間的連鎖保護，關鍵操作執(zhí)行前確認，現(xiàn)場設備起停前打鈴，以保證生產(chǎn)安全。系統(tǒng)通訊功能實現(xiàn)各個控制子系統(tǒng)和各級計算機網(wǎng)絡之間的通訊。操作指導功能是系統(tǒng)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)和人工輸入、設定信息判斷當前的生產(chǎn)狀況和操作條件，由基于案例推理的專家系統(tǒng)給出操作指導。系統(tǒng)管理具有系統(tǒng)安全管理、用戶管理和系統(tǒng)導航等功能。系統(tǒng)安全管理保證系統(tǒng)不被惡意破壞和記錄所發(fā)生過的事件和所進行的操作，系統(tǒng)的進入需要用戶和密碼，同時對運行中的活動和報警進行記錄。用戶管理用來增加和刪除用戶，對用戶的權限進行設定和用戶密碼進行修改。系統(tǒng)導航實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部導航功能，實現(xiàn)監(jiān)控畫面之間的切換和各個子系統(tǒng)間的切換。
通過監(jiān)控軟件提供的強大組態(tài)功能、先進的OPC接口功能以及DDE數(shù)據(jù)交換功能，計算機網(wǎng)絡與實時數(shù)據(jù)庫的支持，編制了控制及智能優(yōu)化設定軟件，將豎爐焙燒生產(chǎn)過程的控制、優(yōu)化和管理集成，實現(xiàn)生產(chǎn)過程管理和過程控制的一體化，從而保證豎爐焙燒生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制、優(yōu)化運行和優(yōu)化管理。
3.3 控制策略
由于豎爐焙燒過程具有多變量強耦合、強非線性，磁選管回收率等關鍵工藝參數(shù)不能連續(xù)在線測量，而且，難以用控制回路的輸入與輸出的解析式子來表示。因此，難以采用常規(guī)的優(yōu)化控制方法進行優(yōu)化控制。本文采用圖4所示的智能優(yōu)化控制技術，通過兩層結(jié)構：回路控制層和回路優(yōu)化設定層來實現(xiàn)豎爐焙燒過程的優(yōu)化控制。
智能優(yōu)化系統(tǒng)優(yōu)化目標值為磁選管回收率設定值，該系統(tǒng)通過燃燒室溫度、還原煤氣流量和搬出制度的智能優(yōu)化設定模型產(chǎn)生豎爐焙燒過程的溫度、流量等控制回路和搬出制度的優(yōu)化設定值，通過回路反饋控制使焙燒生產(chǎn)過程的溫度、流量等穩(wěn)定跟隨優(yōu)化設定值。利用焙燒過程的輸入、輸出量，通過智能預報模型[7]，產(chǎn)生磁選管回收率預報值，并與磁選管回收率的目標值進行比較，產(chǎn)生的誤差經(jīng)過前饋補償來校正回路優(yōu)化設定值，并通過化驗過程產(chǎn)生的磁選管回收率的化驗值與磁選管回收率的目標值進行反饋校正回路設定值，通過回路控制使豎爐焙燒過程實現(xiàn)優(yōu)化。

燃燒室溫度Y1的回路控制原理如圖5所示。根據(jù)易于檢測的流量、溫度等物理量，應用智能控制技術解決豎爐焙燒過程中爐溫干擾因素與加熱煤氣量和空燃比之間的非線性耦合影響，采用智能控制與PID控制相結(jié)合的方法對燃燒室溫度進行控制，自動搜索并跟蹤最佳空燃比，以實現(xiàn)最佳燃燒和綜合自動控制，即燃燒室溫度的智能優(yōu)化控制。從圖中可以看出，它是一個前饋—串級比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，加入了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的前饋動態(tài)補償，使得爐膛負壓n、加熱煤氣壓力p及熱值h發(fā)生波動時，能及時修正加熱煤氣的流量和空燃比，與單變量調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比，相當于增加了微分作用的超前環(huán)節(jié)，加快了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程。其中智能控制器由神經(jīng)網(wǎng)絡動態(tài)補償器與模糊控制器組成。模糊控制器根據(jù)燃燒室溫度的設定值W1與實際檢測值Y1的誤差e和誤差變化率de/dt給出加熱煤氣流量的設定值。系統(tǒng)中空燃比的實時修正調(diào)節(jié)，使得燃料在諸多干擾因素的作用下仍能充分燃燒，節(jié)約了能源，避免了因燃燒不充分冒黑煙而污染環(huán)境的現(xiàn)象。

還原煤氣流量Y2控制原理如圖6所示，采用參數(shù)自整定PID控制器實現(xiàn)還原煤氣流量的快速、穩(wěn)定化控制。
優(yōu)化設定模型給出搬出制度Y3的設定值后，由軟件實現(xiàn)搬出電機的定時啟停，達到電機按規(guī)定動作而將焙燒礦搬出還原帶的目的，保證焙燒礦不發(fā)生“過還原”或“欠還原”的現(xiàn)象，使其質(zhì)量得到保障。搬出制度的一個控制時序如圖7所示。其中，S11表示第1臺搬出機在第1個周期內(nèi)的運行時間，S12表示第2臺搬出機在第1個周期內(nèi)的運行時間，T1表示搬出機在第一個周期內(nèi)的停止時間。搬出制度即1個周期為S11、2T1、S12之和。

4 系統(tǒng)實施及應用效果
某選礦廠年處理鐵礦石500萬噸，礦石含鐵品位33%。全廠用于礦石焙燒的豎爐22座。豎爐焙燒生產(chǎn)過程基本采用人工根據(jù)經(jīng)驗進行操作，用人眼看火孔觀察火焰的顏色來估計燃燒室和還原帶的溫度，然后，手動關小或開大閥門來調(diào)節(jié)溫度；觀察焙燒礦的顏色來判斷焙燒質(zhì)量，然后，更改搬出制度和燃燒室溫度來控制焙燒礦的質(zhì)量。有關的電機設備都是在現(xiàn)場操作箱進行起停控制。造成生產(chǎn)人員多，效率低，成本高，消耗大。豎爐區(qū)溫度高，霧氣大，工人的工作環(huán)境差，勞動強度大。結(jié)合該選礦廠豎爐焙燒生產(chǎn)過程的實際采用本文提出的方法，實施了豎爐焙燒過程綜合自動化系統(tǒng)。

4.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構
系統(tǒng)的硬件結(jié)構，如圖8所示。模型機（5臺）及監(jiān)控計算機（6臺）均為DELL公司PC機，操作系統(tǒng)為Windows2000。計算機控制系統(tǒng)采用美國Rockwell公司ControlLogix系統(tǒng)，包括CPU模塊，電源模塊，開關量輸入輸出模塊，模擬量輸入輸出模塊，控制網(wǎng)(ControlNet)通訊模塊，設備網(wǎng)(DeviceNet)通訊模塊等?？刂凭W(wǎng)與設備網(wǎng)之間通過控制網(wǎng)(ControlNet)通訊模塊進行通訊，模型機和控制站的通訊通過以太網(wǎng)進行通訊，智能優(yōu)化程序?qū)⒂嬎憬Y(jié)果通過以太網(wǎng)傳至各控制站。監(jiān)控機直接通過控制網(wǎng)與PLC進行通訊。
控制站由1-11#豎爐控制站、一個豎爐測溫遠程站等共12個控制站組成，12個站總共有14個機架（11個本地站，每個站1個機架；1個遠程站，共3個機架）。1-11#控制站分別負責兩臺豎爐的控制，每個站對應1臺控制柜，安放在中央控制室；豎爐遠程控制站實現(xiàn)對22臺豎爐燃燒室溫度、還原帶溫度及加熱帶溫度的檢測。各控制站通過設備網(wǎng)(DeviceNet)實現(xiàn)對22座豎爐所有變頻器的狀態(tài)監(jiān)測與頻率設定，以實現(xiàn)鼓風機的變頻調(diào)速。1-11#控制站的各處理器通過冗余的ControlNet網(wǎng)，以Producer/Consumer的通信模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)開放。

4.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構
整個控制系統(tǒng)所使用的軟件均為美國Rockwell公司的配套產(chǎn)品：RSLogix5000、RSLink、RSNetWorx、RSView32等。監(jiān)控計算機配有RSLogix5000、RSLink、RSNetWorx、RSView32應用軟件，使用Microsoft Windows2000操作環(huán)境，編程軟件由RSLogix5000和RSView兩部分組成，其中RSLogix5000為PLC軟件開發(fā)環(huán)境，RSView為監(jiān)控畫面及模型機開發(fā)環(huán)境，RSLink、RSNetWorx為網(wǎng)絡組態(tài)軟件。
各控制站的控制程序的開發(fā)基于RSLogix5000軟件[8]，ControlLogix系統(tǒng)的結(jié)構體系是一個技術先進的控制平臺，它集成了多種控制功能：順序控制，過程控制，運動控制等。ControlLogix系統(tǒng)是模塊化的，用戶可以根據(jù)其具體應用來選擇合適的內(nèi)存量、控制器個數(shù)和網(wǎng)絡類型。這種柔性結(jié)構允許用戶在同一個機架內(nèi)使用多個控制器、網(wǎng)絡通訊及I/O模塊。用戶能在多個控制器之間分配資源和劃分任務。ControlLogix數(shù)據(jù)傳輸總線利用Producer/Consumer技術為用戶提供一種高性能的、具有確定性的分布式方案。通過通訊接口模塊可以實現(xiàn)ControlLogix與計算機、分布式處理器和分布式I/O的互連。它們可以共享連接到通訊接口模塊上的任何EtherNet， ControlNet或DH+鏈路。
在每個站的控制程序中，主要包括一個連續(xù)任務和一個周期性任務，其中連續(xù)任務下有1個主程序，主程序下有一個主例程(Main Routine)，主例程實現(xiàn)各設備的啟停以及搬出機的自動搬出控制，主例程有幾個子例程，包括故障處理子例程、電機故障子例程，信號處理子例程，溫度處理子例程，數(shù)據(jù)處理子例程，搬出機電流處理子例程等等。周期性任務下有有1個主程序(Loop Program)，主程序下有1個主例程(PIDLOOP)和一個子例程(PIDDataProcess)，實現(xiàn)對每個站的溫度、流量控制回路的數(shù)據(jù)處理及閉環(huán)控制。
控制網(wǎng)與設備網(wǎng)通過應用軟件RSLink和RSNetWorx進行組態(tài)[9-11]，在組態(tài)的過程中可以設定通訊節(jié)點，以便于網(wǎng)絡資源分配，可以設定網(wǎng)絡更新時間(NUT)等等。在RSLink中組態(tài)OPC接點后，就可以使PLC和監(jiān)控機兩者經(jīng)過組態(tài)的OPC接點進行通訊聯(lián)系，彼此交換數(shù)據(jù)與信息。
RSView32是一個功能強大的控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件[12]，可以按用戶的要求編制監(jiān)控程序及友好的操作界面。基于RSView32的VBA軟件類似于VB，可以編制復雜的計算處理程序，智能優(yōu)化模型的開發(fā)就是基于VBA軟件設計的。本系統(tǒng)中監(jiān)控畫面的主要組成是：豎爐工藝圖、自動控制參數(shù)總覽、設定值及PID參數(shù)控制面板、儀表信號圖、實時趨勢圖、歷史趨勢圖故障報警畫面等。通過對這些操作界面的操作，可監(jiān)視溫度、壓力、流量的變化趨勢，對故障報警進行顯示，對生產(chǎn)狀況分析，可以使操作員隨時對現(xiàn)場進行生產(chǎn)過程的操作指導及控制。
4.3 應用效果
豎爐焙燒控制是選礦生產(chǎn)過程控制的關鍵。豎爐生產(chǎn)過程輸入有空氣量、加熱煤氣量和還原煤氣量；輸出有燃燒室溫度、加熱帶溫度和還原帶溫度。輸入與輸出之間具有強耦合，過程機理復雜，如礦石的進出、熱量的傳遞、化學反應，而且不確定因素多，如礦石的特性變化，加熱煤氣成分的波動，磁選管回收率，還原帶的溫度難以在線連續(xù)測量。這些因素的存在使得焙燒控制任務非常復雜，合理的系統(tǒng)結(jié)構及先進的控制技術是保證可靠控制的關鍵。
豎爐焙燒綜合自動化系統(tǒng)具有智能優(yōu)化、過程控制和過程管理三層結(jié)構，采用智能解耦控制技術和智能優(yōu)化設定控制技術，通過對豎爐焙燒過程的燃燒室溫度、還原煤氣流量、搬出制度的優(yōu)化設定及溫度、流量的回路控制，實現(xiàn)磁選管回收率的優(yōu)化控制。重要工藝參數(shù)的監(jiān)控畫面如圖9所示，重要參數(shù)的智能優(yōu)化設定畫面如圖10所示。
豎爐焙燒過程的實際控制曲線如圖11所示。其中，W1表示燃燒室溫度設定值，Y1表示燃燒室實際溫度，W2表示還原煤氣流量設定值，Y2表示還原煤氣實際流量，U1表示加熱煤氣閥開度。圖中縱坐標表示燃燒室溫度(0-1300℃)，對應加熱煤氣閥開度(0-100%)和還原煤氣流量(0-5000m3/h)。從圖11可以看出燃燒室溫度和還原煤氣流量的設定值根據(jù)工況的變化而變化，控制輸出能夠很好的跟蹤優(yōu)化設定值?，F(xiàn)場長期運行的效果表明，豎爐臺時產(chǎn)率從24.90T/h提高到25.62T/h，提高0.72 T/h。豎爐的磁選管回收率提高2％。設備運轉(zhuǎn)率提高2.98%，能耗降低了10%，操作人員減少50%。豎爐焙燒生產(chǎn)過程實現(xiàn)了優(yōu)化控制、優(yōu)化運行和優(yōu)化管理。

5 結(jié) 語
本文針對豎爐焙燒過程的特點，應用Rockewll自動化技術和智能控制方法，提出了由智能優(yōu)化、過程控制和過程管理三層結(jié)構組成的豎爐焙燒生產(chǎn)過程綜合自動化系統(tǒng)。本系統(tǒng)在某選礦廠豎爐焙燒過程中成功應用，可以實現(xiàn)豎爐焙燒生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制、優(yōu)化運行和優(yōu)化管理，從而提高了產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)的穩(wěn)定性，降低了工人的勞動強度，改善了操作環(huán)境，減少了資源消耗和操作人員，提高了設備運轉(zhuǎn)率，實現(xiàn)了磁選管回收率的優(yōu)化控制。以Rockewll自動化技術為基礎，開發(fā)出的綜合自動化系統(tǒng)的結(jié)構還可以應用于其他行業(yè)，有很高的推廣價值。